JP6931497B2 - Underwater exploration equipment and topographic exploration system - Google Patents
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Description
本発明は、魚群探知機を用いた水底探査の技術に関する。 The present invention relates to a technique for bottom exploration using a fish finder.
現在行われている海、湖や池などの水底部の地形形状の探査(以下、水底探査と称する場合もある)では、水上ボートなどの船舶に超音波センサを搭載し、手漕ぎ、あるいはスクリュウを推進力として当該超音波センサを移動させながら探査している(特許文献1)。 In the current exploration of the topographical shape of the bottom of water such as the sea, lakes and ponds (hereinafter sometimes referred to as bottom exploration), ultrasonic sensors are mounted on ships such as water boats for rowing or screwing. The ultrasonic sensor is being explored while being moved using the above as a propulsive force (Patent Document 1).
また、特許文献2は、精度の高い水深値が測定できる魚群探知機を提供することを目的とするものであり、魚群探知機において超音波の前回の発射波により測定した水深値(海面から海底までの距離、一般的には水面から水底までの距離)を記憶する構成が開示されている。 Further, Patent Document 2 aims to provide a fish finder capable of measuring a highly accurate water depth value, and the water depth value (from the sea surface to the sea floor) measured by the fish finder by the previous emission wave of ultrasonic waves. A configuration for storing the distance to, generally the distance from the water surface to the bottom of the water) is disclosed.
しかしながら、魚群探知機を用いて水底探査を行う場合、当該魚群探知機は船舶に搭載され、あるいは牽引されて超音波を所定周期ごとに水中に向けほぼ鉛直方向に発射し、水中にある物体からの反射波を受信する必要がある。つまり魚群探知機は、音波を所定の方向に向けて発射してその反射波を受信するセンサといえる。また、船舶の移動に伴い水の抵抗力を受けて不規則な挙動が当該船舶に生じたり、水面に波が発生してその影響を受けたりする。
そのため、魚群探知機として機能するセンサを水底探査に用いる場合、超音波を所定周期ごとに水中に向けほぼ鉛直方向に発射することが難しく水底探査における探査精度が著しく低下してしまう、という問題がある。
However, when a fish finder is used to search the bottom of the water, the fish finder is mounted on a ship or towed to emit ultrasonic waves into the water at regular intervals in a nearly vertical direction from an object in the water. It is necessary to receive the reflected wave of. In other words, the fishfinder can be said to be a sensor that emits sound waves in a predetermined direction and receives the reflected waves. In addition, as the ship moves, it receives the resistance of water and causes irregular behavior on the ship, or waves are generated on the water surface and are affected by it.
Therefore, when a sensor that functions as a fish finder is used for underwater exploration, it is difficult to emit ultrasonic waves into the water at regular intervals in a nearly vertical direction, and the exploration accuracy in underwater exploration is significantly reduced. be.
また、船舶の移動速度を波の発生を抑えることのできる速度に制限した場合であっても、船舶を用いた水底探査では、装置と人員が大掛かりであり機動性も低下するため作業コストが増加してしまう、という課題がある。 In addition, even if the moving speed of the ship is limited to a speed that can suppress the generation of waves, the work cost increases because the equipment and personnel are large and the mobility is reduced in the water bottom exploration using the ship. There is a problem of doing it.
本発明は、魚群探知機のような音波を所定の方向に向けて発射してその反射波を受信するセンサを用いた水底探査の探査精度の向上を図ることができる水底探査装置を提供することを、主たる目的とする。また、これを有する地形探査システムを提供する。 The present invention provides a water bottom exploration device capable of improving the exploration accuracy of water bottom exploration using a sensor that emits sound waves in a predetermined direction and receives the reflected waves, such as a fish finder. Is the main purpose. In addition, a topographical exploration system having this is provided.
本発明は、水底の形状を探査する水底探査装置であって、回転翼を有する小型無人飛行機と、音波を所定の方向に向けて発射してその反射波を受信するセンサと、前記センサを収容し、着水時に水面の高さまでその内部に水を流入させる孔部が形成される収容手段と、前記収容手段と前記小型無人飛行機とを接続し、前記小型無人飛行機により前記収容手段が牽引されるとき当該収容手段の姿勢を制御する姿勢制御手段と、を有し、前記収容手段は、前記センサを収容した際に当該センサと当該収容手段の内壁との間に所定の空間が形成されるように形成されることを特徴とする。 The present invention is a water bottom exploration device for exploring the shape of the water bottom, and includes a small unmanned aerial vehicle having rotary wings, a sensor that emits sound waves in a predetermined direction and receives the reflected waves, and the sensor. Then, the accommodating means in which a hole for allowing water to flow into the water surface at the time of landing is connected to the accommodating means and the small unmanned aerial vehicle, and the accommodating means is towed by the small unmanned aerial vehicle. When the sensor is accommodated, the accommodating means has an attitude control means for controlling the attitude of the accommodating means, and a predetermined space is formed between the sensor and the inner wall of the accommodating means. It is characterized in that it is formed in such a manner.
本発明によれば、魚群探知機のような音波を所定の方向に向けて発射してその反射波を受信するセンサを用いた水底探査の探査精度の向上を図ることができる水底探査装置を提供することができる。また、移動の迅速性、探査設備の省力化を図ることができる。 According to the present invention, there is provided a water bottom exploration device capable of improving the exploration accuracy of water bottom exploration using a sensor that emits sound waves in a predetermined direction and receives the reflected waves, such as a fish finder. can do. In addition, the speed of movement and labor saving of exploration equipment can be achieved.
以下、一例として、本発明に係る水底探査装置を有する地形探査システムの実施形態について、図を用いて説明する。
本実施形態では、回転翼(プロペラ)を有し、GPS( Global Positioning System)機能を有する小型無人飛行機(Unmanned Aerial Vehicle、以下、UAVと称す)に、魚群探知機の一種であるGPS機能を有する超音波センサを搭載する水底探査装置として構成した場合を例に挙げて説明する。また、水底探査装置を含み、地表部の地形形状の探査と水底部の地形形状の探査とを連続して行うことができる地形探査システムとして構成した場合を例に挙げて説明する。
Hereinafter, as an example, an embodiment of a topographical exploration system having a water bottom exploration device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In the present embodiment, a small unmanned aerial vehicle (hereinafter referred to as UAV) having a rotary wing (propeller) and a GPS (Global Positioning System) function has a GPS function which is a kind of fish finder. A case where the device is configured as a water bottom exploration device equipped with an ultrasonic sensor will be described as an example. Further, a case where the system is configured as a topographical exploration system that includes a water bottom exploration device and can continuously perform the exploration of the topographical shape of the ground surface and the exploration of the topographical shape of the water bottom will be described as an example.
[実施形態例]
[地形探査システムの構成]
図1は、本実施形態に係る地形探査システムの構成の一例を説明するための図である。
図1に示すように、地形探査を行う地形把握領域があるとする。また、地形把握領域は、地表部地形探査領域と水底部地形探査領域とを含む領域であるとする。
[Example of Embodiment]
[Configuration of topographical exploration system]
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of the configuration of the topographical exploration system according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, it is assumed that there is a topographical grasping area for topographical exploration. Further, the topographical grasping area is assumed to be an area including a surface topographical exploration area and a water bottom topographical exploration area.
従来の地形探査では、地形把握領域における地表部地形探査領域では、例えばUAVを用いて探査を行い、水底部地形探査領域では、例えば船舶に超音波センサを搭載したり、あるいは超音波センサを牽引して探査を行う(図1上部の破線矢印参照)。つまり、地形把握領域全体を連続して探査することはできない。 In conventional topographical exploration, in the surface topographical exploration area in the topographical grasping area, for example, UAV is used for exploration, and in the water bottom topographical exploration area, for example, an ultrasonic sensor is mounted on a ship or an ultrasonic sensor is pulled. (See the dashed arrow at the top of Fig. 1). In other words, it is not possible to continuously explore the entire terrain grasping area.
一方、本実施形態に係る水底探査装置100は、UAV本体101、超音波センサSが収容された状態の収容体300(以下、カップ300と称す)、UAV本体101とカップ300とを接続するリンク機構200を含んで構成される。構成の詳細は、後述する図3を用いて説明する。
なお、地形把握領域全体を連続して探査することができる地形探査システムは、これらの構成を有する水底探査装置100を含んで構成される。
On the other hand, the water
A topographical exploration system capable of continuously exploring the entire topographical grasping area includes a water
図2は、超音波センサをUAVで牽引して水底探査を行う従来手法の一例を説明するための図である。
UAVとセンサを牽引バーを介して接続し、当該UAVを用いて超音波センサ(センサ)を牽引して水底探査を行う従来手法では、図2に示すように、超音波センサにはUAVの牽引速度や超音波センサが受ける水の抵抗力などの要素に応じて所定の傾斜角が生じてしまう。
そのため、超音波センサにも傾きが生じてしまい、超音波を水中に向けほぼ鉛直方向に発射することができないことが見て取れる。つまり、傾斜角が生じ、超音波センサに傾きが生じることより、当該超音波センサの検知範囲における探索精度大きく低下してしまうことになる。
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a conventional method in which an ultrasonic sensor is towed by a UAV to perform water bottom exploration.
In the conventional method in which a UAV and a sensor are connected via a traction bar and an ultrasonic sensor (sensor) is towed using the UAV to search the bottom of the water, as shown in FIG. 2, the UAV is towed by the ultrasonic sensor. A predetermined tilt angle is generated depending on factors such as the speed and the resistance of water received by the ultrasonic sensor.
Therefore, it can be seen that the ultrasonic sensor is also tilted, and the ultrasonic waves cannot be emitted into the water in the almost vertical direction. That is, the tilt angle is generated and the ultrasonic sensor is tilted, so that the search accuracy in the detection range of the ultrasonic sensor is greatly reduced.
図3は、水底探査装置100の構成の一例を説明するための図である。
水底探査装置100は、UAV本体101、撮像モニタ102、携帯情報端末103、リンク機構200、超音波センサSが収容されるカップ300を含んで構成される。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the configuration of the water
The water
UAV本体101は、前述した小型無人飛行機の一種である。UAV本体101に取り付けられた撮像モニタ102は、地表部地形探査領域の地形形状を探査するための一種のセンサである。UAV本体101に取り付けられた携帯情報端末103は、例えばスマートフォンなどであり、各種情報を記録する機能や通信機能を有する端末である。また、携帯情報端末103は、超音波センサSの検知結果(探査結果)を記録する記録手段としても機能する。
The UAV
超音波センサSは、前述した魚群探知機の一種であり、球体形状に形成された筐体を有するセンサである。超音波センサSは、GPS機能を有する。
超音波センサSは、音波を所定の方向に向けて発射してその反射波を受信する。また、超音波センサSは、着水時に水中に沈まないように所定の浮力が生じるように、つまり水面に浮くように構成される。超音波センサSは、また、その重心位置が下部(球体の下部)に位置するように構成される。超音波センサSは、また、携帯情報端末103へ向けて検知結果を含む各種情報が送信可能に構成される。
なお、本実施形態に係る超音波センサSは、例えばDeeper(登録商標)などのワイヤレススマート魚群探知機を用いることができる。
The ultrasonic sensor S is a kind of the fish finder described above, and is a sensor having a housing formed in a spherical shape. The ultrasonic sensor S has a GPS function.
The ultrasonic sensor S emits a sound wave in a predetermined direction and receives the reflected wave. Further, the ultrasonic sensor S is configured to generate a predetermined buoyancy so as not to be submerged in water at the time of landing, that is, to float on the water surface. The ultrasonic sensor S is also configured so that its center of gravity is located at the lower part (lower part of the sphere). The ultrasonic sensor S is also configured to be capable of transmitting various information including a detection result to the mobile information terminal 103.
As the ultrasonic sensor S according to the present embodiment, for example, a wireless smart fish finder such as Deeper (registered trademark) can be used.
カップ300は、リンク機構200を介してUAV本体101と接続される。カップ300は着水後には、カップの外水をカップ内部に取り込むことが可能に構成される。これは、カップの外水をカップ内部に取り込む(流入させる)ことによりカップの内外の水位差をなくし、超音波センサSをカップ内で自由浮遊させるためである。
前述したように、超音波センサSはその重心位置が球体下部に位置するように構成されているため、自由浮遊の状態では常に検知範囲の中心が所定の方向(鉛直方向、Z軸方向)を向くことになる。構成の詳細については、後述する。
The
As described above, since the ultrasonic sensor S is configured so that its center of gravity is located at the lower part of the sphere, the center of the detection range is always in a predetermined direction (vertical direction, Z-axis direction) in the free floating state. I will turn to it. The details of the configuration will be described later.
リンク機構200は、図3に示すように、超音波センサSを収容した状態のカップ300の姿勢制御を行うための機構である。具体的には、超音波センサSが発する超音波を水中に向けほぼ鉛直方向に発射することができるようにカップ300の姿勢を制御する。構成の詳細については、後述する。
As shown in FIG. 3, the
図4は、リンク機構200の構成の一例を説明するための平面図である。
リンク機構200は、図4(a)に示すように、牽引バー200a、200b、接続機構(ヒンジ機構)201、202を含んで構成される。
接続機構201は、UAV本体101と牽引バー200a、200bそれぞれの一端とを接続する。接続機構201により牽引バー200a、200bは、UAV本体101に対して相対的に所定の方向に揺動自在となる(図3参照)。
FIG. 4 is a plan view for explaining an example of the configuration of the
As shown in FIG. 4A, the
The
接続機構202は、図4(b)に示すように、ピン202aを介してカップ300と牽引バー200a、200bそれぞれの他端とを接続する。牽引バー200a、200bは、接続機構202を介して、カップ300に対して相対的に所定の方向に揺動自在となる(図3参照)。
As shown in FIG. 4B, the
接続機構202は、また、ピン202aの長さ方向に直交する方向に配設されたピン202bを介してカップ300と接続される。接続機構202は、ピン202bを介してカップ300に対して相対的に所定の方向に揺動自在となる。この方向は、牽引バー200a、200bが揺動する方向と直交する方向になる。
つまり、接続機構202、ピン202a、ピン202bにより、直交する二つの軸線のまわりに揺動可能に支持するジャイロ機構が構成され、カップ300が所定の姿勢を保つことができるように制御することができる。
The connecting
That is, the
図5は、カップ300の構成の一例を説明するための図である。
カップ300は、例えば硬質透明樹脂などの素材を用いて上底部と下底部の一部が開口されて形成される。
カップ300は、また、超音波センサSが収容可能であり、且つ、収容時に超音波センサSの外表面とカップ300の内壁面との間に所定の空間(隙間、例えば5[mm]程度)が形成されるようなサイズに形成される。
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of the configuration of the
The
The
カップ300には、図5(a)に示すように、孔部310、孔部310から放射状に形成されたスリット311、超音波センサSをカップ300に収容する際の挿入口312を有する。
As shown in FIG. 5A, the
孔部310は、カップ300に収容した超音波センサSがカップ300外に脱落しないサイズに形成される。孔部310は、カップ300が着水した際にその内部に水を浸入(流入)させるためのものである。
図5(b)に示すように、着水後にカップの外水がカップ内部に取り込まれることにより、カップの内外の水位差がなくなり、前述した隙間もあるため超音波センサSはカップ内で自由浮遊する。
The
As shown in FIG. 5B, when the outside water of the cup is taken into the inside of the cup after landing, the difference in water level between the inside and outside of the cup disappears, and the ultrasonic sensor S is free inside the cup because of the above-mentioned gap. Float.
スリット311は、カップ300が着水した際にその内部への水の浸入(流入)を促進し、カップ300が水面上方へ離脱した際に当該カップ内に残った水の排出を促進するためのものである。
図5(c)に示すように、超音波センサSの表面により孔部310が蓋をされたような状態になった場合であっても、スリット311を介してカップ内に残った水の排出を行うことができる。なお、スリット311は、着水後にカップの外水をカップ内部に取り込む際においても取り込み効率を高める効果がある。
The slit 311 promotes the infiltration (inflow) of water into the
As shown in FIG. 5C, even when the
このようにカップ300を構成することにより、水の取り込み、又は、水の排出の効率化を図ることができるため、地形把握領域全体を連続して探査する場合の作業時間短縮に寄与することができる。
なお、孔部から放射状に形成されるスリットは、水の取り込み、又は、水の排出の効率化に応じて一又は複数のスリットとすることができる。また、孔部から連設したスリットを形成しても良いし、孔部の外周端から所定の距離(例えば、2[mm]程度)だけ離れた位置から放射状にスリットを形成しても良い。この場合、カップが水面から離脱する際に孔部に作用する超音波センサの重さへの許容範囲(耐荷重の程度)が増すことになる。
また、スリットに替えてカップ側面に一又は複数の孔部を形成しても良い。この場合、側面に形成する孔部は、超音波センサがカップ内から脱落しないようなサイズに形成する。
By configuring the
The slits formed radially from the holes may be one or more slits depending on the efficiency of water uptake or water discharge. Further, the slits continuously provided from the hole portion may be formed, or the slits may be formed radially from a position separated by a predetermined distance (for example, about 2 [mm]) from the outer peripheral end of the hole portion. In this case, the allowable range (degree of load capacity) for the weight of the ultrasonic sensor acting on the hole when the cup is separated from the water surface is increased.
Further, one or a plurality of holes may be formed on the side surface of the cup instead of the slit. In this case, the holes formed on the side surface are formed in a size so that the ultrasonic sensor does not fall out of the cup.
このように、カップ300、及び、リンク機構200は、超音波センサSの傾きを防止する姿勢制御手段として機能する。例えば、UAV本体101によりリンク機構200を介してカップ300が牽引され、当該カップ300は水の抵抗力を受けてその姿勢が斜めに傾斜したとする。このような場合であっても、カップ300に収容され、当該カップ300と超音波センサSの間に水が介在してカップ内で自由浮遊している超音波センサSの姿勢は、所定の姿勢を維持することができることになる。
As described above, the
このように、本実施形態に係る地形探査システムでは、1回のUAV探査飛行において陸上部の地形と水底部の地形を連続探査することができる。
また、本実施形態に係る水底探査装置では、水底探査に用いる超音波センサの挙動制御を行うリンク機構を有する。これにより、船舶牽引と比べて波等の影響による探査精度の低下を抑制することができる。
As described above, in the topographical exploration system according to the present embodiment, the topography of the land portion and the topography of the water bottom portion can be continuously explored in one UAV exploration flight.
Further, the water bottom exploration device according to the present embodiment has a link mechanism for controlling the behavior of an ultrasonic sensor used for water bottom exploration. As a result, it is possible to suppress a decrease in exploration accuracy due to the influence of waves or the like as compared with ship towing.
また、超音波センサを収容する容器(カップ)の特徴ある構造により、着水時の水の侵入、水面からの離脱時の排水をスムースに行うことができる。また、カップ内壁とセンサ外周面とのクリアランス確保により、着水後にカップ内で超音波センサを安定して浮かせることができるため探知精度低下を防ぐことができる。 Further, due to the characteristic structure of the container (cup) accommodating the ultrasonic sensor, it is possible to smoothly invade water at the time of landing and drain water at the time of leaving the water surface. Further, by securing the clearance between the inner wall of the cup and the outer peripheral surface of the sensor, the ultrasonic sensor can be stably floated in the cup after landing, so that the detection accuracy can be prevented from deteriorating.
また、携帯情報端末をUAVに搭載することで、探査範囲の制約条件となっていた記録情報の伝達距離の制限がなくなり、UAVの飛行範囲を拡大することができる。
また、水底探査においては、UAVによる飛行を平行に複数測線探査し、これらのデータを高度情報処理装置で解析することにより、3D画像として表現できるシステムの構築を実現することができる。これにより、水底地形の把握がより容易となる。
さらに、撮像センサをUAVに備えることで、1測線の探査飛行で陸上部と水底部の地形を探査できる地形探査システムとすることができる。
Further, by mounting the portable information terminal on the UAV, the limitation of the transmission distance of the recorded information, which is a constraint condition of the exploration range, is removed, and the flight range of the UAV can be expanded.
Further, in the water bottom exploration, it is possible to realize the construction of a system that can be expressed as a 3D image by conducting a plurality of survey line exploration of the flight by the UAV in parallel and analyzing these data with an advanced information processing device. This makes it easier to grasp the bottom topography.
Further, by equipping the UAV with an image sensor, it is possible to provide a topographical exploration system capable of exploring the topography of the land portion and the bottom of the water in a single survey line exploration flight.
上記説明した実施形態は、本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲が、これらの例に限定されるものではない。 The embodiments described above are for more specific description of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
100・・・水底探査装置、101・・・UAV本体、102・・・撮像モニタ、103・・・携帯情報端末、200・・・リンク機構、300・・・カップ、S・・・超音波センサ。
100 ... Underwater exploration device, 101 ... UAV main body, 102 ... Imaging monitor, 103 ... Mobile information terminal, 200 ... Link mechanism, 300 ... Cup, S ... Ultrasonic sensor ..
Claims (5)
回転翼を有する小型無人飛行機と、
音波を所定の方向に向けて発射してその反射波を受信するセンサと、
前記センサを収容し、着水時に水面の高さまでその内部に水を流入させる孔部が形成される収容手段と、
前記収容手段と前記小型無人飛行機とを接続し、前記小型無人飛行機により前記収容手段が牽引されるとき当該収容手段の姿勢を制御する姿勢制御手段と、を有し、
前記収容手段は、前記センサを収容した際に当該センサと当該収容手段の内壁との間に所定の空間が形成されるように形成されることを特徴とする、
水底探査装置。 It is a bottom exploration device that explores the shape of the bottom of the water.
A small unmanned aerial vehicle with rotary wings and
A sensor that emits sound waves in a predetermined direction and receives the reflected waves,
An accommodating means for accommodating the sensor and forming a hole for allowing water to flow into the sensor up to the height of the water surface at the time of landing.
It has an attitude control means that connects the accommodating means and the small unmanned aerial vehicle and controls the attitude of the accommodating means when the accommodating means is towed by the small unmanned aerial vehicle.
The accommodating means is formed so that a predetermined space is formed between the sensor and the inner wall of the accommodating means when the sensor is accommodated.
Underwater exploration device.
前記姿勢制御手段は、少なくとも前記収容手段を直交する二つの軸線のまわりに揺動可能に支持するジャイロ機構からなることを特徴とする、
請求項1に記載の水底探査装置。 The sensor is a sensor configured to float on the surface of the water and to have its center of gravity located at the lower part.
The attitude control means comprises at least a gyro mechanism that swingably supports the accommodation means around two orthogonal axes.
The underwater exploration apparatus according to claim 1.
請求項1又は2に記載の水底探査装置。 The accommodating means is formed including one or a plurality of slits formed radially from the hole.
The underwater exploration apparatus according to claim 1 or 2.
請求項1、2又は3に記載の水底探査装置。 It is characterized by having a recording means for recording the information detected by the sensor.
The water bottom exploration apparatus according to claim 1, 2 or 3.
回転翼を有する小型無人飛行機と、
前記地表部地形探査領域の地形形状を探査する撮像モニタと、
前記水底部地形探査領域の水底形状を探査する、音波を所定の方向に向けて発射してその反射波を受信するセンサと、
前記センサを収容可能に形成され、着水時に水面の高さまでその内部に水を流入させる孔部を有し、且つ、当該センサを収容した際に当該センサと当該収容手段の内壁との間に所定の空間が形成されるように形成される収容手段と、
前記収容手段と前記小型無人飛行機とを接続し、前記小型無人飛行機により前記収容手段が牽引されるとき当該収容手段の姿勢を制御する姿勢制御手段と、
前記センサが検知した情報を記録する記録手段と、を有することを特徴とする、
地形探査システム。
A topographical exploration system that explores an area including a surface topographical exploration area and a water bottom topographical exploration area.
A small unmanned aerial vehicle with rotary wings and
An imaging monitor for exploring the topographical shape of the surface topographical exploration area,
A sensor that explores the shape of the bottom of the water bottom topography area, emits sound waves in a predetermined direction, and receives the reflected waves.
The sensor is formed so as to be accommodating, has a hole for allowing water to flow into the water to the height of the water surface at the time of landing, and is between the sensor and the inner wall of the accommodating means when the sensor is accommodated. A storage means formed so as to form a predetermined space, and
An attitude control means that connects the accommodating means and the small unmanned aerial vehicle and controls the attitude of the accommodating means when the accommodating means is towed by the small unmanned aerial vehicle.
It is characterized by having a recording means for recording information detected by the sensor.
Terrain exploration system.
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